多元Au合金的固溶强化效果分析研究 金属材料学专业

多元Au合金的固溶强化效果分析摘要:在人类发展的历史长河中，材料的先进程度直接决定着社会的发展速度，材料科学的发展作为人类社会进步的基石，对人类的社会生产生活和发展有着重要的影响。材料作为当代工业文明发展的基础，具有着不可替代的作用，应用广泛的金属材料极大地促进了人类社会的进步。Au合金有着非常优异的化学稳定性、延展性、导电性、导热性以及生物兼容性，使得它在电器、电子、能源、首饰、牙科修复、工艺品等诸多的领域都有着重要的应用。通过对多元Au合金的组织结构以及力学性能等进行研究，分析多元Au合金的固溶强化效果，由此也可以探索提高Au合金力学性能的方法，对于Au基合金材料的应用具有一定的意义。关键词：多元Au合金；力学性能；固溶强化；ABSTRACTInthelonghistoryofhumandevelopment,theadvanceddegreeofmaterialsdirectlydeterminesthespeedofsocialdevelopment.Asthecornerstoneofhumansocialprogress,thedevelopmentofmaterialsciencehasanimportantimpactontheproductionanddevelopmentofhumansociety.Materials,asthebasisofthedevelopmentofcontemporaryindustrialcivilization,playanirreplaceablerole,andwidelyusedmetalmaterialshavegreatlypromotedtheprogressofhumansociety.Aualloyshaveexcellentchemicalstability,ductility,electricalconductivity,andsoon.Thermalconductivityandbiocompatibilitymakeitanimportantapplicationinelectricalappliances,electronics,energy,jewelry,dentalrestoration,handicraftsandmanyotherfields.ThroughtheThemicrostructureandmechanicalpropertiesofmulti-componentAualloyarestudied,andthesolutionstrengtheningeffectofmulti-elementAualloyisanalyzed.ThemethodtoimprovethemechanicalpropertiesofAualloycanalsobeexplored,whichhascertainsignificancefortheapplicationofAu-basedalloymaterial.Keywords:multi-componentAualloy;solidsolutionstrengthening;catalyticactivity目录1绪论 41.1研究背景 41.2Au的基本性质及合金化 41.2.1Au的基本性质 41.2.2Au的合金化 52多元Au合金的结构和力学性能 62.1材料的制备过程 72.2多元Au合金的结构分析 82.3多元Au合金的显微硬度分析 8 92.4本章小结 103多元Au合金的固溶强化效果分析 103.1固溶强化效果计算 103.2提高合金的力学性能的方法探讨 114结论 12参考文献 12致谢 121绪论1.1研究背景随着社会的逐步发展，人类对材料性能的指标要求变得越来越高。目前为止，人们按照传统的合金设计理念己经开发出了较为庞大的合金体系。传统的合金设计理念都是以一种或两种金属元素作为主要组元，通过添加少量其他的金属或非金属元素来获得具有某些特定性能的材料以满足其使用要求，其次还可通过改进材料的加工工艺使得材料满足使用要求，使材料的综合利用效率得到了全面提升。到目前为止，人类虽然己经开发出了三十多种实用的合金体系，比如我们常用的镁合金、铝合金、钦合金等，但是这些合金的性能依然不能满足人们的实际需求。传统的合金设计理念认为，当组成合金的金属元素种类越多时，合金中就会产生结构越复杂的未知相或者金属间化合物，导致合金的组织结构很难分析，对力学性能及其它性能的影响较大。当今社会，黄金在工业和人们生活中应用越来越广泛，需求量逐年增加，市场前景非常广阔。除了饰品用金、金合金钎焊料、电接触材料用金、电子工业用金、牙科用金、医药用金、高科技产品用金等七个方面，Au与Au合金新材料的发展也从未停下脚步。经过一个世纪的发展，已经开发出了许多可能满足电气工业需要的Au合金。鉴于Au性能的优越性和其高价格之间的矛盾，它将继续用在最尖端、最重要的电子电气产品中。1.2Au的基本性质及合金化1.2.1Au的基本性质金在地壳中的含量为5×10-7%，元素符号为Au，原子序数为79，晶体结构为面心立方，如图1.1所示。作为一种过渡族金属，Au位于元素周期表第6周期的IB族，属于铜族元素，外层电子结构为5d106s1，纯金颜色为金黄色，其颜色会受到所含有的杂质的种类、数量等影响而有所改变。Au原子之间有着较强的金属键，使得其热力学参数比较高。Au有着很好的可锻性和延展性，1g纯金可以被拉成超过3500m长的细丝，Au也可以被压成厚度仅为0.0001mm的金箔，而且这种金箔是透明的，透过的光为绿光金的导热、导电性很好，仅次于银和铜。从磁性能上来说，Au是抗磁性元素，磁导率为负值。图1.1Au的晶格点阵Au与周期表元素反应的一般倾向性：Au与元素周期表中其他元素的合金化行为与这些元素在周期表中的位置有关。通常而言，与Au位置最为相近的元素，如同族的Ag、Cu元素，以及邻族的Ni、Pd、Pt等元素，会与Au形成连续固溶体；而那些在元素周期表中与Au距离较远的元素，与Au形成固溶体的倾向性则大大减小，而形成化合物甚至分凝的倾向性则会增加。1.2.2Au的合金化纯Au有着非常优异的化学稳定性、延展性、导电性、导热性以及生物兼容性，使得它在电器、电子、能源、首饰、牙科修复、工艺品等诸多的领域都有着重要的应用。但是纯Au也有一些缺点，限制了它的使用性能，它比较软、硬度低、易于磨损，而且冷变形后虽然可以产生一些加工硬化效果，但是硬度、强度依然很低。这就使其比较容易自然时效软化，纯Au制品在加工、使用过程中易于发生磨损、变形和弯折，甚至是会发生断裂情况，这些都极大地限制了Au的应用。因此人们常常会选用合金化的方法，改善Au制品的性能，得到各种各样的Au合金来满足不同领域的应用需求。Au合金元素的选取需要综合考虑许多因素，尤其是性能以及成本因素。加入的每一个因素都会对Au合金性能产生一定影响，以下是本文中添加的几种Au合金元素的作用：Ag元素：Ag与Au有着相似的晶格常数和点阵结构，因此在XRD等实验测试中很难分别出Au和Ag。Au-Ag可以形成连续固溶体，有利于获得好的冶金性能。Ag本身有着极好的延展性和韧性，有利于提高Au合金的机械加工性能和韧性。此外，加入Ag元素，对于Au合金而言，可以从一定程度上起到漂白作用，从而改变合金颜色，使得Au合金的颜色由金黄色变为淡黄色，而如果想让合金颜色变为白色，则需要Ag的质量百分数超过56%。Cu元素：价格相对便宜，是一种重要的Au合金强化元素。Au与Cu也可以形成连续固溶体，而且Cu的存在可以显著影响Au合金的色彩，随Cu含量的增加，合金的颜色会由金黄色变为玫瑰红最后会变成红色。Cu可以提高Au合金的机械强度、化学稳定性以及可加工性，但是如果Cu含量过高的话，反而会使得Au合金的耐腐蚀性下降，同时，其脆性增加。另外一个Au-Cu合金极为重要的现象就是，随着温度变化会发生有序-无序转变：有序相AuCuⅠ→有序相AuCuⅡ→无序固溶体AuCu。Ni元素：Au与Ni可以形成连续固溶体，一般Ni在Au合金中，可以起到硬化和漂泊作用，是一种比较廉价的漂白剂，同时具有延展性和磁性。此外如果是应用于收拾上的Au合金，Ni的元素的加入是需要控制加入量的。因为有些人的皮肤会对Ni过敏，因此对于首饰用Au合金需要严格控制Ni含量。Zn元素：Au与Zn不能够无限互溶，Zn在Au中最大的固溶度为33.5%。它也可以起到调节Au合金颜色的作用，与此同时，可以改善合金的铸造性能，有利于获得表面比较光亮的合金。但是，如果Zn含量过高，则又会影响合金的塑形、韧性，导致出现一些缺陷。因此，在进行Au合金的合金元素的选择和搭配时，要综合考虑多个方面，根据希望获得的材料性能去选择合金元素。同时，应当选用合适的熔炼方式、加工工艺。而Au的合金化行为受到很多因素的影响，比如Au与合金元素之间在电负性、原子价、原子尺寸以及晶体结构上的差别。而且Au与合金元素之间的合金化行为与它们在周期表上的位置是十分相关的，与Au紧邻的一些元素容易和Au形成一些连续固溶体，而距离Au比较远的一些元素和Au形成固溶体的倾向就会比较小。我们知道Ag、Cu的电负性和Au比较相近而且是有着类似晶体结构的同族元素，Au和它们可以形成连续固溶体。图1.2所示为Au-Ag系合金相图，可以看出Au与Ag在所有成分范围内均可形成连续固溶体。Au也可以和Ni、Pt、Pd等UⅢB族的元素无限互溶，形成连续固溶体。VA-VⅢA族非金属元素除了Te之外都可以与Au发生偏晶反应，此外IA族的H也可以与Au发生偏晶反应。这些能够和Au发生偏晶反应的元素在Au中的极限溶解度很低，甚至根本就不溶。Au还会与一些元素发生共晶反应，这些元素主要包括IA族(除H外)、ⅡA族、Ⅳ族(除Pb外)、ⅢB族以及ⅥB族、ⅥB族Mo,ⅧB族Co,ⅢA族B和Tl,ⅤA族Sb以及ⅥA族Te和Po。这些能够和Au发生共晶反应的元素在Au中也有着很低的固溶度，乃至不溶。另外Au还会与一些元素发生包晶反应，比如ⅢA族(除B和T1外)、ⅡB族(除Zn外),NB-ⅥB族(除Mo外)、ⅧB族的Fe,Os,Rh,Ir和Pb,NA族的Pb以及ⅤA族的Bi元素。而这些可以和Au发生包晶反应的元素在Au中的极限固溶度相对高一点，但是也有部分元素(比如Ru,W,Os,Rh,Ir,Bi以及Pb等)的极限固溶度比较小或者根本不溶。图1.2Au-Ag相图1.3Au合金的应用Au合金在人们日常生活中有着非常广泛的应用，随着其需求量逐步增加，Au合金的市场前景十分广阔。首先，由于人类历史上黄金充当货币的职能，Au它可以作为国际储备，这是由其商品属性决定的。其次，Au可以用来制作珠宝首饰，亮眼夺目的黄金一直是备受喜爱的装饰物品。第三，Au作为金属材料，有着独特而优异的特性，这些特性，使其在材料科学领域饱受关注，在工业上得到了广泛应用。它的优良性能主要有以下几点：热力学性质较为稳定；耐腐蚀性和抗变色能力较好；非常好的加工性能；具有非常好的导电、导热性能对红外线的反射能力很高；易于镀到其他金属或者陶瓷表面上；可以支撑超导体和有机金等等。正是因为Au具有如此多良好的性能，在当代社会很多高科技产业中，比如能源、电子技术、通讯技术、航空航天、医疗化工等很多领域中，都有着广泛应用。而金及其合金，在日常生活中，主要有七个方面的应用，分别为：饰品用金、金合金钎焊料、电接触材料用金、电子工业用金、医药用金和高科技产品用金。1.3.1饰品用金众所周知，Au承载了价值，除去其本身的金融价值外，其美丽的外观、良好的抗腐蚀和抗晦暗性能也让Au成了人们首选的饰品制造材料。现实生活中，我们经常可以见到一些黄金制造的工艺品以及生活用品，而世界范围内，也不乏古代、现代的除Au或Au合金的工艺制品。在制造饰品的过程中，为了增加饰品的光泽感，饰品多通过改变Au的合金配比获得不同的金合金，从而使色泽更加靓丽的同时也增加了硬度。Au基饰品材料，根据颜色不同进行划分，可以分为彩色K金和白色K金，而K金，指的就是在纯Au中加入一些合金元素后得到的有着丰富的色彩和不同性能的Au合金工艺品。目前，Au饰品追求的主要发展目标是高强度、高硬度、色彩多样，加工过程中，为了实现这一目标，高强度一般是通过固溶强化、沉淀强化、有序化强化等多种强化机制来获得的，而多样的色彩，则是通过调节不同合金元素配比实现的。1.3.2金合金钎焊料由于金合金钎焊料优良的钎焊工艺性能和钎焊接头性能，其很难被非金属所取代，而航空航天和电子工业的一些重要部件仅可用贵金属钎焊，而金合金钎焊料更是十分重要，按组成元素主要可以分为Au-Ni、Au-Cu、Au-Ag-Cu、Au-Ag-Cu-Zn、Au-Pd、Au-Pd-Cu、Au-Pd-Ni等系列。1.3.3电接触材料用金在所有电接触材料中，金及其合金是很好的选择，其优良的特性在轻负荷、小电流条件下显现得更为明显。主要有两类电接触材料选用了Au合金材料，分别是：断开接触材料和滑动接触材料。1.3.4电子工业用金Au基材料是电子工业，具体而言，是电子与半导体工业的基础，主要用电子封装用键合丝、薄膜材料和焊合材料等。考虑到键合金丝应当具备高强度和高纯度，因此传统键合金丝主要是微合金化的高纯金丝，目前，时效强化型Au-1Ti型合金已成功用作键合丝。另外，具有高强度和高导电率的以纳米Ag或Pt纤维增强的Au/Ag或Au/Pt复合材料也在被开发用作键合丝。1.3.5牙科用金随着社会的进步以及人们生活水平的提高，对于牙科修复材料的质量和性能的要求也在逐步提高。Au，得益于其稳定的热力学性质、良好的力学性能、优越的生物兼容性以及明亮的色泽，在牙科修复材料中得到了广泛应用。牙科材料发展有高Au和低Au两个方向，前者倾向于增加Pt的量而减少Pd；而后者则倾向于增加Pd。在实际应用中，出于节省成本考虑，多采用低Au牙科合金。1.3.6医药用金Au在医药中的应用主要有以下三个大类：抗关节炎类药、抗癌化合物和放射性金。其中，抗关节炎类药又可分为：肠道抗关节炎金药物、非肠道抗关节炎金药物和口服金药物。1.3.7高科技用金在高科技产品中，Au常作为主要运用的材料，目前应用了Au的高科技产品有：片状金粉、夜视仪用金膏以及功能材料，例如以金为基的形状记忆合金Au-Cu-Zn-Al等。2多元Au合金的结构和力学性能2.1四种Au合金的成分设计我们选择制备的四种不同成分的多元Au合金Au52Cu27Ag17-x(NiZn0.5)x(x=0,6,12,17)，它们的多元Au合金Au、Ni、Zn元素的含量是变化的，随着x的增加，Au的质量分数基本保持在75%，Cu元素含量保持相对稳定，Ag元素含量减少，Ni、Zn元素含量增加。我们将这四种合金分别记为x=0、x=6、x=12和x=17合金。2.2四种Au合金的熔炼制备我们的研究对象为多元Au合金Au52Cu27Ag17-x(NiZn0.5)x(x=0,6,12,17)。从含Au量上看其实4种成分的Au合金均为18K金。我们通过改变补口合金(除Au以外的合金元素)的成分，制备出了4种具有不同成分的18K金合金样品。在这4种合金中Ag、Ni以及Zn元素的含量是变化的，而Au、Cu的含量相对保持不变。样品的具体制备过程是;首先利用氧气乙炔火枪将放在坩埚中的纯Au(wt.99.99%)以及补口合金CuAg,CuZnNi熔化。然后将均匀的熔体浇注进铸铁模当中，在空气中冷却成铸锭之后取出，将铸锭利用压片机压成0.5mm厚的薄片，并剪成长条状。2.3实验样品的材料表征分析2.3.1材料表征概述材料表征技术是关于材料的化学组成、内部结构组织、微观形貌、晶体缺陷与材料性能等的表征方法、测试技术以及相关理论基础的实验科学，是现代材料科学研究以及材料应用的重要手段和方法。2.3.2XRD技术的简介XRD即X-RayDiffraction（X射线衍射）的缩写。通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。2.3.3X射线衍射分析X射线衍射分析是一种极其重要的物相分析方法，当一束X射线照射到样品表面时，会发生衍射，不同材料呈现出不同的衍射图谱，根据衍射峰角度和强度等相关数据，可以对合金相组成以及相关结构参数进行定性或者定量分析。其中，峰的面积表示晶体含量，面积越大，晶相含量越高。峰窄说明晶粒大，可以用谢乐公式算晶粒尺寸。如果是峰高相对背地高，表示晶相含量高，跟面积表示晶相含量一致。我们对制备出的x=0、x=6、x=12、x=17的四种Au合金进行XRD测试，图2.1即为所得XRD图谱。图2.1 四种Au合金的XRD图谱通过XRD图谱可以看出来，四种合金的XRD衍射峰分别对应于Au的（111）、（200）、（220）、（311）以及（222）这些晶面。随着x的增加，峰位有向右移动的趋势，这是由于合金元素的增加，导致晶格结构越来越偏离纯Au的缘故。而那些没有出现的合金元素，比如Ni、Cu、Zn的衍射峰，说明它们都固溶在Au原子晶格之中而形成了固溶体。由以上讨论，我们可以认为这四种Au合金的结构都是Au基固溶体结构。2.4多元Au合金的力学性能分析2.4.1力学性能材料的力学性能指的是材料在不同材料下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变、应力）时表现出的力学特征。脆性：脆性是指材料在损坏之前没有发生塑性变形的一种特性。它与韧性和塑性相反，脆性材料没有屈服点，有断裂强度和极限强度。强度：金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形或断裂的能力。常见的强度形式有：抗拉强度、抗压强度、抗扭强度、抗剪强度等。一般以抗拉强度作为判别金属强度的指标。硬度:金属材料局部体积内抵抗弹性、塑性变形、压痕、划痕的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。而常用的硬度测试方法主要有三种，分别为：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。韧性:金属材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力。韧性是指金属材料在拉应力的作用下，在发生断裂前有一定塑性变形的特性。疲劳强度：材料零件和结构零件对疲劳破坏的抗力。弹性：弹性是指金属材料在外力消失时，能使材料恢复原先尺寸的一种特性。延展性：延展性是指材料在拉应力或者压应力作用下，材料断裂前承受一定塑性变形的特性。刚性：刚性是金属材料承受较高应力而没有发生很大应变的特性。屈服点或屈服应力：屈服点或屈服应力是金属的应力水平。在屈服点以上，当外来载荷撤除后，金属的变形依然存在，金属材料发生了塑性变形。2.4.2显微硬度及其测试方法显微硬度：显微硬度是一种压入硬度，反映被测物体对抗另一硬物体压入的能力，测量的仪器是显微硬度计，它实际上是一台没有加符合装置带有目镜探测器的显微镜。测定之前，先要将待测磨料制成反光磨片试样，置于显微硬度计的载物台上，通过加负荷装置对四棱锥型的金刚石压头加压。负荷的大小可以根据待测材料的硬度不同而增减。金刚石压头压入试样之后，在试样表明会产生一个凹坑。把显微镜十字丝对准凹坑，用目镜测微器测量凹坑对角线的长度，根据所加负荷以及凹坑对角线的长度就可以计算出所测物质的显微硬度值。显微硬度的测试原理：硬度的测试是材料在力学性能研究中最简便、最常用的一种方法。显微硬度是金相分析中最常用的测试手段之一。显微硬度的测试是将具有一定几何形状的金刚石压头，以较小载荷压入试验材料表面，然后对一条或两条压痕对角线进行光学测量。由于留在试样上的压痕尺度极小，因此必须在显微镜下测量。样品的硬度利用HVT1000A型数显显微硬度计以及美国MTS公司生产的XP型纳米压痕仪进行测试。显微硬度是利用一个很小的两对面夹角为136o、底面正方形的正四棱锥金刚石压头，在样品表面压出一个很浅的凹坑。如图2.1所示，根据所压出凹坑的面积与实验所施加的压力的关系，在显微硬度计所连接的电脑屏幕上可以读出相应的硬度值。本实验测得的为维氏硬度，每个样品随机测试9个点，将所测得的数据求平均值作为该样品的显微硬度值。图2.1HVT-1000A型数显显微硬度计纳米压痕仪使用的是三棱锥的玻氏压针，棱面与中心线夹角65.30，棱边与中心线夹角65.3°，底面边长与深度之比7.5315。如图2.2为纳米压痕仪的样品室，测试方法选用的是CSM(连续刚度)法，这种方法是在加载的过程当中连续地计算接触刚度，因而硬度和模量随压入深度的变化就可以根据动查刚度的测量得到，可获得施加的载荷随压入深度的变化曲线以及硬度、模量随压入深度连续变化的曲线。实验中每个样品随机打8个点，压入深度500nm，泊松比为0.25。图2.2MTSXP型纳米压痕仪样品室2.4.3显微硬度测试结果分析合金化可以弥补Au硬度不足的缺陷,在加入的补口合金成分里,Cu的含量基本不变,在补口合金里改变的主要是Ag、Ni、Zn元素的含量，为了研究补口合金成分对合金硬度的影响，我们对合金进行了显微硬度实验来分析它们的硬度变化。下图给出了利用显微硬度计测得的合金样品的显微硬度值，所用载荷为0.05kg。压载时间为30s。显而易见，x=0的合金显微硬度最低，x=17的合金显微硬度最高，因此，随着x的增加，合金的显微硬度提高。通过显微硬度测试结果可知，Au合金的硬度随着x的增加而变大，即Ni、Zn加入量的增加提高了Au合金的强度，同时Ag含量的减少对于Au合金的硬度变化影响很小。2.5多元Au合金的纳米压痕实验2.5.1纳米压痕技术及其实验原理纳米压痕技术，也称深度敏感压痕技术，是最简单的测试材料力学性能的方法之一。传统的硬度测试是将一特定形状的压头用一个垂直的压力压入试样，根据卸载后的压痕照片获得材料表面留下的压痕半径或对角线长度计算出压痕面积。根据现代微电子材料科学的发展，试样规格越来越小型化，传统的压痕测量方法逐渐暴露出它的局限性。一是这种方法仅仅能够得到材料的塑形性质，另外这种测量方法只适用于较大尺寸的试样。新兴纳米压痕技术的产生很好解决了传统测量的缺陷。纳米压痕技术也称为深度敏感压痕技术，它通过计算机程序控制载荷发生持续变化，实时测量压痕深度。实验原理与方法：纳米压痕技术，通过计算机控制载荷持续变化，并在线监测压入深度。一个完整的压痕深度包括两部分，即所谓的加载过程和卸载过程。在加载过程中，给压头施加外载荷，使之压入样品表面，随着载荷的增大，压头压入样品的深度也随之增加，当载荷达到最大值时，移除外载，样品表面就会存在残留的压痕痕迹。2.5.2纳米压痕实验测试结果分析纳米压痕实验可以研究随着压入深度的增加，样品的硬度以及弹性模量的变化情况。图2.4给出的是载荷-位移曲线，主要包括三个过程：加载过程、保载过程以及卸载过程。如图所示，加载过程中，随着在河的增加，合金样品被压针压入的深度呈现出非线性增加的趋势。保载过程指的是，在一段时间内保持压针的载荷不变，此时达到施加的最大载荷Pmax，而压入深度仍会继续增加，曲线上就会出现一个平台阶段，即图2.5所示。直到达到最大压入深度hmax。卸载过程中由于卸掉载荷，样品变形得到了一定程度上的恢复，压入深度会有一定的降低，但是样品表面会留下一个深度为hr的压坑。从图中还可以看出，压入深度相同的情况下，载荷的大小关系为x=0<x=6<x=12<x=17。而载荷的大小也就意味着压入的难易程度，通过这种方式，也可以反映出四种Au合金的硬度大小关系。3多元Au合金的固溶强化效果分析3.1Au的强化机理根据金属点阵中阻碍位错运动的障碍物类别，一般而言，Au的强化机制包括晶粒细化强化、相变强化、析出强化、位错强化和固溶强化等。对于某一Au而言，既有可能是单一的强化机制，也可能是多种强化机制的复合。而固溶强化，是指纯金属经过适当的合金化后，强度、硬度提高的现象。其原因可归结于溶质原子和位错的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变。固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。固溶强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错钉孔作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种元素溶质来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。影响固溶强化效果的因素主要有以下几点：（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。（4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。3.2多元Au合金的固溶强化效果分析由于Au与主要的合金元素Au、Ag、Ni能够无限互溶，形成连续固溶体，因此在Au合金的的强化机制中最要的是固溶强化。所谓的固溶强化指的是合金元素固溶于基体金属的晶格之中，形成晶格畸变，这种畸变可以阻碍位错运动，会导致滑移难以进行，从而可以起到提高合金强度和硬度的功效。而影响到合金固溶强化效果的主要有两方面因素：一个是，合金原子与Au原子的质量之差，另外一个就是，合金原子与Au原子的半径之差。通常而言，这两个差别越大，合金的固溶强化效果就越好。而Au合金固溶强化的效果可以用以下公式来表示：Hs=A▪B（2-1）由公式2-1计算可得Cu、Ag、Ni、Zn四种元素对于Au的固溶强化参数的大小如下:Cu:Hs=3.10*0.011=0.352Ag：Hs=1.83*0.002=0.004Ni：Hs=3.36*0.139=0.467Zn：Hs=3.01*0.069=0.208根据前文的XRD结果可知，四种Au合金都是基固溶结构，因此Ag、Cu、Ni、Zn对于Au合金的强化方式主要是固溶强化，根据公式（2-1）可知，Cu对于Au的固溶强化参数Hs为0.352，Ag对Au的固溶强化参数Hs为0.004，Ni对Au的固溶强化参数Hs为0.467，Zn对Au的固溶强化参数Hs为0.208。相比于Ag，Cu在溶剂Au的晶格中的固溶可以造成更大的晶格畸变，增大了位错运动的阻力，使得滑移运动更难进行，从而有着更好的强化作用。3.3提高Au的强度的其他方法探讨3.3.1位错强化位错强化是金属材料中有效的强化方式之一。自从位错理论提出之后，人们就对位错强化的作用进行了大量研究，在该领域获得了长足的发展。金属中位错密度高，则位错运动时易于发生相互交割，形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高了钢的强度。所谓位错，是晶体中的一条管状区域，在此区域内原子的排列很不规则，也就是说形成了缺陷。由于这个管道的直径很小（只有几个原子间距），可以将它看成是一条线，所以位错是一种线性缺陷。塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互反应，位错受到阻碍不断塞积，材料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化现象。晶体中位错分布较均匀时，流变应力和位错密度间存在如下Bailey—Hirsch关系式：式中τ0—没有加工时的切应力；α—常数，其数值为1/2；μ—剪切模量；b—伯式矢量；ρ—位错的平均密度；表示位错密度引起的切（流）变应力越大，位错密度越大，金属抵抗塑性变形的能力就越大。位错强化本身对金属材料强度有很高的贡献。同时，位错的运动也是造成固溶强化、晶界强化和第二相强化及弥散强化的主要原因。

3.3.2细晶强化细晶强化，是指通过晶粒粒度的细化来提高金属的强度，多晶体金属的晶粒边界通常是大角度晶界，相邻的不同取向的晶粒受力产生塑性变形时，部分施密特因子大的晶粒内位错源先开动，并沿一定晶面产生滑移和增殖。滑移至晶界前的位错被晶界阻挡。这样一个晶粒的塑性变形就无法直接传播到相邻的晶粒中去，且造成塑变晶粒内位错塞积。在外力作用下，晶界上的位错塞积产生一个应力场，可以作为激活相邻晶粒内位错源开动的驱动力。

通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。细晶强化的方法主要有以下几条：1.增加过冷度；2.变质处理；3.振动与搅拌；4.对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒3.3.3析出强化析出强化是指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理工艺。如奥氏体沉淀不锈钢在固溶处理后或经冷加工后，在400～500℃或700～800℃进行沉淀硬化处理，可获得很高的强度。即某些合金的过饱和固溶体在室温下放置或者将它加热到一定温度，溶质原子会在固溶点阵的一定区域内聚集或组成第二相，从而导致合金的硬度升高的现象。析出强化的机理：析出强化是因为金属材料中第二相粒子从过饱和固溶体里析出而引起应变，从而引起金属点阵的强化。造成最大强化是在形成可见的第二项粒子之前，这个阶段也成为析出的孕育阶段。在这个阶段，要析出形成第二项的原子，有成群堆积的趋势。它们与母相保持连续的共格联系，就在这个时候发生了最大的应变，因而产生了最大的强化。3.3.4加工硬化随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑形、韧性有所下降。加工硬化，又称冷作硬化，指的是金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑形和韧性降低的现象。产生原因是，金属在塑形变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破坏和纤维化